CN107881910A - 一种桥梁检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种桥梁检测机器人，所述机器人包括机器人单体和机器人轨道；所述机器人轨道为截面呈工字形的单轨；单轨的两个侧凹部位形成悬道；所述机器人单体呈凹字形，机器人单体的上部凹陷处的两竖面处分另设有两个行走轮组；机器人单体以行走轮组悬挂并行驶于机器人轨道的悬道处；所述机器人单体底部设有云台结构；云台结构处设有可固定信息采集设备的信息采集端；本发明能高效、安全、经济地对桥梁进行检测。

Description

一种桥梁检测机器人

技术领域

本发明涉及桥梁自动检测技术领域，尤其是一种桥梁检测机器人。

背景技术

我国是桥梁大国，截止2015年底，全国公路桥梁、铁路桥梁、市政桥梁底已突破87万座。与全球第一的光芒并存的是，我国约有9.4万座危桥、20-30%桥梁存在潜在隐患的阴暗面。近5年，我国有37 座桥梁垮塌，致 182人丧生、177 人受伤，平均每年有7.4座 ‘夺命桥’根据中华人民共和国行业标准《公路桥涵养护规范》的规定，桥梁定期检查最长不得超过三年，依据现行桥梁检测资金配套水平1万元/座计算，仅公路桥梁检测市场将超过25亿/年。现有技术中多是通过桥梁检测车加人工检测的方式进行。

现有的检测方式包括：

（一）搭建脚手架、桥梁检测车等人工检测方式。

目前国内大部分桥梁的检测方式为搭建脚手架、高空作业平台和桥梁检测车等人工检测方式。如图1所示，对于一般的高度较低的公路桥梁，可以采用搭建简易脚手架或者是划船等，并用人工检测的方式进行检测。如果是高度较高则需要借助工程机械——桥梁检测车进行人工检测；但人工检测方式存在以下问题：

①存在严重的安全隐患

在此种桥梁检测过程中，如果检测车一旦出现问题后工作人员存在很大的人身风险。为了保证工人的安全，一般采用低速检测的方式，这就导致了工作效率低下的问题。

②机动性差、检测手段落后

对于在水面上的桥梁，则一般采取在水面上的船只上搭设支架的方式展开桥梁检测作业。还有一些由于辅助工具的高度有限、不便于携带接近、作业比较危险，就很难找到合适的方式解决桥梁检测问题。

③成本高、耗时长

由于桥梁检测工作中需要搭设脚手架，脚手架虽然可以检测到大部分关键的部件，但是搭设一次脚手架需要的资金往往约占桥梁检测总资金的80%，而且脚手架从前期的施工准备到搭设完成再到最后完成检测作业后的拆除，这整个周期需要较长的时间，通过这种方式展开的桥梁检测作业，没有办法保证效率。桥梁车等大型设备虽然可以保证检测效果，但是不适合经常检查，首先检测车存有量少，再者购买和租用的成本高，使得使用率低。

④妨碍公共交通、安全性较小

不管是搭设脚手架的方式还是通过桥梁检测车展开的桥梁检测作业，必定会对公共交通运行和航道通航产生一定的影响。由于作业周期长，还有的检测车检测时需要占用道路甚是封路，极易造成航道和道路交通堵塞。此外，考虑到施工质量和检测环境等，检测作业也存在一定的危险性。

⑤检测范围小

由于不同的桥梁环境和搭设脚手架等各方面的限制，目前的检测方式很难对被检测的桥梁的所有部分都开展有效检测，只能进行局部的检测，这使得检测人员不能全面的了解被检测桥梁的实际情况，从而影响桥梁质量的评估和后期的维护工作。

（二）爬壁机器人

对于一些新型的一些检测方法大都采用的是机器人检测，以减少成本以及降低危险性，从而提高工作效率。其中应用比较广泛的有爬壁机器人、无人机等。爬壁机器人是科学家以壁虎为研究对象研制出的仿生机器人，不仅可以在地面快速运动，而且还能吸附在垂直壁面、天花板面等不同法平面进行灵活工作，它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来。

各类型爬壁机器人具有以下的缺陷：

①吸附式机器人对吸附表面要求高

由于桥梁检测需要检测桥梁底面的部分，我们需要有一点的承重能力及灵活性，而爬壁机器人对于壁面的凹凸性、壁面材料等都有一定的要求，如真空吸附法具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低;

②磁吸附爬壁机器人要求导磁材料的应用环境。

磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须是导磁材料，因此严重地限制了爬壁机器人的应用环境。

③越障能力低，且工作速度慢

吸盘式能跨越很小的障碍，但移动速度慢;车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难;履带式对壁面适应性强，着地面积大，但不易转弯。

因为种种原因的限制，所以爬壁机器人在桥梁检测领域还多处于研发阶段。

（三）无人机桥梁检测

随着航拍技术、遥感技术的不断发展，无人机应用更多地渗透到各行各业。无人飞行器可分许多类别，其中无人多旋翼飞行器因结构简单、价格相对低廉，可应用于公路桥梁检测、线路巡检等领域。但是其检测过程受到很多方面的影响：梁体狭小空间处无法检测，存在检测盲区，续航能力一般，承重能力小，不能携带大量检测设备，控制难度大，工作环境受天气影响大，检测过程需要考虑日照方向、风速、天气状况等。

综上所述，桥梁检测迫切需要一种高效率、低成本、简单方便、系统化的解决方案。根据桥梁检测的任务要求，并考虑到实际工作中可能面临的问题，本专利提出了一种轨道式检测机器人作为桥梁检测的辅助工具。

发明内容

本发明提出一种桥梁检测机器人，能高效、安全、经济地对桥梁进行检测。

本发明采用以下技术方案。

一种桥梁检测机器人，所述机器人包括机器人单体和机器人轨道；所述机器人轨道为截面呈工字形的单轨；单轨的两个侧凹部位形成悬道；所述机器人单体呈凹字形，机器人单体的上部凹陷处的两竖面处分另设有两个行走轮组；机器人单体以行走轮组悬挂并行驶于机器人轨道的悬道处；所述机器人单体底部设有云台结构；云台结构处设有可固定信息采集设备的信息采集端。

所述机器人单体的前部或后部处设有万向节，当多个机器人单体在机器人轨道上行驶时，多个机器人单体以万向节串联为机器人队列。

所述机器人单体的行走轮组包括主动轮和从动轮；主动轮与从动轮均与悬道接触；所述主动轮经传动机构驱动从动轮；两个行走轮组内各设有一个驱动主动轮的驱动电机。

所述机器人单体的外壳采取上下合盖结构，上盖与下盖的内面以紧固件连接。

所述云台结构内设云台电机；云台结构以云台电机外壳上的紧固件与机器人单体底面相连。

所述机器人轨道以支架与桥梁相连；所述支架以工业铝型材成型；支架以地脚架固定于桥梁处。

当机器人轨道布设于桥面与桥底之间时，多个机器人轨道以支架支撑并逐段衔接至桥底；所述机器人轨道在支架处对接时，机器人轨道的对接端处呈弧线以便于机器人单体的行走轮组行驶。

机器人单体在单轨下端面处设有压于轨道面的预紧轮；所述预紧轮与行走轮组共同夹紧机器人轨道的悬道以强化机器人单体在轨道上的固定。

本发明的机器人行走方式采用以两对行走轮组夹置悬挂于单轨上的方式，占空间小，易于施工，而且不易因震动而脱落，其轨道易于布设，因此可对桥梁进行贴近检测。

本发明的机器人外壳可采用3D打印加工，重量轻，对轨道的要求低，因此易于实施。

本发明机器人外壳采用快拆式结构，易于对机器人单体进行检修和回收。

本发明的优点还在于：

（一）机动性好、检测效率高：

轨道机器人在桥面下的轨道上匀速行走，期间不需要回收检测设备，检测数据实时传输回数据采集中心，大大提高了工作效率，减少了一次桥梁检测作业的工作周期。

（二）降低成本、范围广：

相比原先的桥梁检测方法，轨道式桥梁检测机器人成本大大降低了，检测设备不在受到桥梁环境等影响，能够将检测设备送到所有需要检测的地方，从而增加了可检测的范围。

（三）设备携带方便、操作简单灵活：

设备体积小，重量轻，随时可以移动到不同桥梁来进行检测作业，满足检查工作的便捷性，也符合桥梁检测要求中的经常检查的目标。同时设备的操作简单灵活、稳定性高。

（四）减小对交通的影响、人员安全得以保障：

由于轨道式桥梁检测机器人检测作业时只需要占用轨道，能够避免检查作业对交通的影响，所以不会造成道路和航道交通拥堵或者无法通行的情况。机器代替人工对桥梁进行检测，对于工作人员来说不再需要到桥面底下进行作业，只需要对收集的数据进行分析，降低作业风险，保障人员安全。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是机器人单体的示意图；

附图2是机器人单体串联为机器人队列的示意图；

附图3是桥面至桥底的机器人轨道的示意图；

附图4是去除外壳上部分的机器人单体的示意图；

附图5是机器人单体挂置于机器人轨道时的剖切示意图；

附图6是机器人单体的分解示意图；

图中：1-机器人单体的外壳；2-行走轮组；3-云台结构；4-万向节；5-信息采集设备；6-机器人轨道（单轨）；7-支架；8-桥梁；9-主动轮；10-从动轮；11-传动带；12-预紧轮；13-驱动电机；14-桥面；15-桥底。

具体实施方式

如图1-6所示，一种桥梁检测机器人，所述机器人包括机器人单体和机器人轨道6；所述机器人轨道6为截面呈工字形的单轨；单轨的两个侧凹部位形成悬道；所述机器人单体呈凹字形，机器人单体的上部凹陷处的两竖面处分另设有两个行走轮组2；机器人单体以行走轮组2悬挂并行驶于机器人轨道的悬道处；所述机器人单体底部设有云台结构3；云台结构3处设有可固定信息采集设备的信息采集端。

所述机器人单体的前部或后部处设有万向节4，当多个机器人单体在机器人轨道上行驶时，多个机器人单体以万向节4串联为机器人队列。

所述机器人单体的行走轮组包括主动轮9和从动轮10；主动轮9与从动轮10均与悬道接触；所述主动轮9以传动带11驱动从动轮11；两个行走轮组内各设有一个驱动主动轮的驱动电机13。

所述机器人单体的外壳1采取上下合盖结构，上盖与下盖的内面以紧固件连接。

所述云台结构3内设云台电机；云台结构以云台电机外壳上的紧固件与机器人单体底面相连。

所述机器人轨道6以支架7与桥梁8相连；所述支架以工业铝型材成型；支架以地脚架固定于桥梁处。

当机器人轨道布设于桥面14与桥底15之间时，多个机器人轨道以支架7支撑并逐段衔接至桥底；所述机器人轨道在支架处对接时，机器人轨道的对接端处呈弧线以便于机器人单体的行走轮组2行驶。

机器人单体在单轨下端面处设有压于轨道面的预紧轮12；所述预紧轮与行走轮组共同夹紧机器人轨道的悬道以强化机器人单体在轨道上的固定。

实施例1：

搭建轨道的工业铝型材之间以连接件连接；轨道利用支架慢慢从桥面衔接到桥底，再衔接的地方带有一定微小的弧度，便于桥梁检测机器人单体或队列行驶；当经过桥墩时，轨道需要适当弧度弯曲这样桥梁检测机器人才能顺利的通过该桥墩；该方案具有重量轻、对桥梁主体结构影响小、结构简单便于安装的特点。

实施例2：

桥梁检测机器人单体或队列在桥梁底部的轨道上从桥梁的一端到另一端进行检测作业，将采集到的信息储存至储存卡，或者通过无线网络技术将数据实时传输到检测中心。

桥梁检测机器人单体或队列作业时，具备两种模式，一种是自动巡航模式，它可以自动走完所需检测的区域，无需人工控制；其另一种为人工控制模式，检测人员可通过人工控制对桥梁检测机器人进行定点移动，对需要重点检测部分二次观察。

在正常工作环境下，桥梁检测机器人底壳与底部云台结构处的步进电机外壳相连接，将步进电机固定住，步进电机的输出轴与底部云台相连接，步进电机输出转速的同时可带动底部云台的云台臂进行360°转动，从而驱动摄像头对需要探测的地方进行拍照扫描，摄像头可以自动定焦，并且能够120°上下旋转，拥有高清晰画面。

实施例3：

桥梁检测机器人外壳部分设计成上下合盖结构，外壳与底壳通过连接处不同壁厚进行定位，其内部通过铜柱和螺栓将外壳紧密连接在一起。在进行装拆时，将螺栓拆除，使外壳与上部凹陷处的U型板分离；将螺栓拆除，使底壳与U型板分离，从而实现外壳与车体的快速分离；对于云台部分，将云台电机外壳与底壳连接的螺栓拆除，便实现底部云台部分与底壳分离。

Claims (8)

1.一种桥梁检测机器人，其特征在于：所述机器人包括机器人单体和机器人轨道；所述机器人轨道为截面呈工字形的单轨；单轨的两个侧凹部位形成悬道；所述机器人单体呈凹字形，机器人单体的上部凹陷处的两竖面处分另设有两个行走轮组；机器人单体以行走轮组悬挂并行驶于机器人轨道的悬道处；所述机器人单体底部设有云台结构；云台结构处设有可固定信息采集设备的信息采集端。

2.根据权利要求1所述的一种桥梁检测机器人，其特征在于：所述机器人单体的前部或后部处设有万向节，当多个机器人单体在机器人轨道上行驶时，多个机器人单体以万向节串联为机器人队列。

3.根据权利要求2所述的一种桥梁检测机器人，其特征在于：所述机器人单体的行走轮组包括主动轮和从动轮；主动轮与从动轮均与悬道接触；所述主动轮经传动机构驱动从动轮；两个行走轮组内各设有一个驱动主动轮的驱动电机。

4.根据权利要求1所述的一种桥梁检测机器人，其特征在于：所述机器人单体的外壳采取上下合盖结构，上盖与下盖的内面以紧固件连接。

5.根据权利要求1所述的一种桥梁检测机器人，其特征在于：所述云台结构内设云台电机；云台结构以云台电机外壳上的紧固件与机器人单体底面相连。

6.根据权利要求1所述的一种桥梁检测机器人，其特征在于：所述机器人轨道以支架与桥梁相连；所述支架以工业铝型材成型；支架以地脚架固定于桥梁处。

7.根据权利要求1所述的一种桥梁检测机器人，其特征在于：当机器人轨道布设于桥面与桥底之间时，多个机器人轨道以支架支撑并逐段衔接至桥底；所述机器人轨道在支架处对接时，机器人轨道的对接端处呈弧线以便于机器人单体的行走轮组行驶。

8.根据权利要求1所述的一种桥梁检测机器人，其特征在于：机器人单体在单轨下端面处设有压于轨道面的预紧轮；所述预紧轮与行走轮组共同夹紧机器人轨道的悬道以强化机器人单体在轨道上的固定。